《傳感器原理與應(yīng)用》課程設(shè)計報告基于熱釋電傳感器的防盜系統(tǒng)

1、傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計報告題目： 基于熱釋電傳感器的防盜系統(tǒng) 專 業(yè)： 電子信息科學與技術(shù) 2011年7月3日 前言2一、系統(tǒng)概述21.1 系統(tǒng)的組成2 1.2 系統(tǒng)的處理方法及工作原理3二、紅外探測器42.1 熱釋電傳感器52.1.1敏感元件52.1.2濾光片62.1.3場效應(yīng)管和高阻值rg62.1.4菲涅爾透鏡7三、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計83.1 信號檢測放大電路83.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊93.2.1 max19793.2.2內(nèi)部采樣模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時序123.2.3 max197與單片機硬件接口設(shè)計12四、g18 gsm通訊模塊134.1 g18的簡介134.2 g18與89c52的接口電路設(shè)

2、計144.3 89c52控制g18收發(fā)短信息的軟件流程15五、 小結(jié)17前言隨著社會的發(fā)展，農(nóng)村城鎮(zhèn)化和人員流動性增大，社會治安善更趨復(fù)雜，因此作為社會的基本單元家庭的防范問題就顯得變尤其重要。傳統(tǒng)的機械式（防盜網(wǎng)、防盜窗）家居防衛(wèi)在實際使用中暴露出一些隱患，正如國務(wù)院下達的關(guān)于住宅小區(qū)禁止安裝防盜的建議中指出，防盜網(wǎng)帶來的問題：（1） 影響樓房美觀，市容整潔；（2）影響火災(zāi)救援通道；（3）給犯罪分子提供便利的翻越條件；（4）時間久了會有高空墜物的危險；（5）壓抑人性自由。所以作為高科技的家居安全防盜報警系統(tǒng)就應(yīng)運而生，并日益受到廣泛的重視和運用。另外，為了進一步規(guī)范住宅小區(qū)智能化建設(shè)，建設(shè)都

3、特別制定了智能小區(qū)的等級標準，按照 其要求智能小區(qū)中必須具有安全防范信息管理、物業(yè)管理和信息網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)。因此小區(qū)安全防范系統(tǒng)建設(shè)已逐漸納入許多小區(qū)建設(shè)的必備項目中了。一、系統(tǒng)概述家居安全報警系統(tǒng)一般通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸和無線公用網(wǎng)絡(luò)傳輸兩種傳輸方式。通過鋪設(shè)專用線路網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成報警信息的傳輸，其優(yōu)點是系統(tǒng)專用化，信息傳輸不受外界因素的干擾，做到專線專用。缺點是鋪設(shè)鎘工程量大，前期投資高，擴容困難，不適用單家獨戶，必須由社區(qū)或公安部門的接警中心來控制，傳輸線路易遭到破壞。所以此種系統(tǒng)只適合工程安裝，不適用終端時常推廣。無線網(wǎng)絡(luò)傳輸是用電波發(fā)射的辦法來傳輸信息，具有較強的抗破壞性，傳輸速度快的優(yōu)點，肯不

4、影響住戶原有的裝飾美觀。特別利用公共網(wǎng)絡(luò)（如電話網(wǎng)、寬帶網(wǎng)）進行信息傳輸有其十分優(yōu)越的條件：（1）借助電信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)零投入；（2）可聯(lián)網(wǎng)也可單獨使用，這是有線網(wǎng)絡(luò)傳輸無法比擬的。當然這種方法也有缺陷，如用電池供電可能產(chǎn)生誤報，易受環(huán)境局限影響傳輸效果，電話線被剪無法傳輸?shù)?，但這些缺陷通過技術(shù)處理還是可以解決的。1.1 系統(tǒng)的組成通過上述的描述，綜合考慮報警系統(tǒng)的及時性和可靠性，本系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器來設(shè)計信號收集模塊，將收集到的模擬信號進行整形放大，再經(jīng)過max197模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進入單片機處理，通過g18無線通信模塊實現(xiàn)給公安部門和用戶通信報警，基本的系統(tǒng)框圖如圖1-1所

5、示。信 號 采 集 模 塊信 號 處 理 部 分用 戶/公安部門gsm網(wǎng)絡(luò)圖1-1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1.2 系統(tǒng)的處理方法及工作原理本系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器進行收集信號，為了收集的信號準確無誤，設(shè)計了多路信號采用的模式。在采集信號時，用三個熱釋電探測器并列，當探測器同時檢測出兩個及兩個以上的信號時，才向處理模塊發(fā)送信號，進行信號處理，這樣提高了信號采集的準確度。在信號處理部分，以stc89c52單片機作為處理芯片，以串口的方式作為通信的方式，向gsm通信模塊發(fā)送控制指令。gsm通信模塊采用g18 gsm短信模塊，它是一款雙頻900/1800mhz高度集成的gsm短信模塊，支持數(shù)據(jù)、語音、短消息

6、和傳真。使用at命令控制gsm模塊，以電話、短信等方式向用戶或者公安部門報警。本系統(tǒng)的最小系統(tǒng)如圖1-2所示。圖1-2 最小系統(tǒng)二、紅外探測器紅外輻射技術(shù)在最近40多年中已經(jīng)發(fā)展成為一門新興技術(shù)科學。培訓(xùn)的廣泛的領(lǐng)域中，特別是在科學研究、軍事工程和醫(yī)學方面起著極其重要的作用。例如紅外制導(dǎo)火箭、紅外成像、紅外遙感等。紅外輻射技術(shù)的重要工具就是紅外輻射傳感器，它是遙感技術(shù)、空間科學等的敏感部件。紅外輻射就是指輻射波長為1.01000um的紅外光。紅外光是太陽光譜的一部分。紅外光的最大特點就是具有光熱效應(yīng)，能輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光處在光譜中可見光之外，它是一種不可見光。紅外光與所

7、有電磁波一樣，具有反射、折射、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為3.8×10m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減。紅外光在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。缸體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。根據(jù)研究分析證明，對于波長為15um,814um區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”，即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。2.1 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外（pir）傳感器，亦稱為熱紅外傳感器，是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)

8、換成電壓信號輸出。將輸出的電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報警、感應(yīng)水龍頭、感應(yīng)燈等。目前常用的熱釋電紅外傳感器型號有 lh1778、lh1954、re200b、kds209、pis209、lhi878、pd632等。熱釋電紅外傳感器通常3引腳金屬封裝，各引腳分別為電源供電端（內(nèi)部開關(guān)管d極，drain）、信號輸出端（內(nèi)部開關(guān)管s極，source）、接地端（ground）。.1.敏感元件熱釋紅外傳感器由探測元、濾光片和場效應(yīng)管阻抗變換器等三大部分組成，如圖2-1所示。對不同的傳感器來說，探測元的制造材料有所有同。如sd02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；p2288由

9、lita03制成。將這些材料做成很薄的薄片，每一片相對的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個等效的小電容。因為這兩個小電容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負電荷。傳感器中兩個電容是極性相反串聯(lián)的。圖2-1雙探測元熱釋電紅外傳感器當傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，在電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負電荷，所以，正負電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。當人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時，照射到兩個電容上的紅外線光能能量相等，且達到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消，傳感器仍然沒有信號輸出。當人體在傳感器的檢

10、測區(qū)域內(nèi)移動時，照射到兩個電容上的紅外線能量不相等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號輸出。綜上所述，傳感器只對移動或運動的人體和體溫近似人體的物體起作用。2.1.2 濾光片濾光片是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，能夠有效地濾除7.014um波長以外的紅外線。人體的正常體溫為3637.5，即309310.5k，其輻射的最強的紅外線的波長為m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波長為9.65um，正好落在濾光窗的響應(yīng)波長的中心。所以，濾光片能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。所以，熱釋電人體紅外傳

11、感器只對人體和近似人體體溫的動物有敏感作用。2.1.3 場效應(yīng)管和高阻值電阻rg熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于探測元輸出的是電荷信號，不能直接使用，因而需要將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。場效應(yīng)管輸入阻抗高達104m，接成共漏極形式來完成阻抗變換。使用時d端接電源正極，g端接電源負極，s端為信號輸出。對于移動速度非常緩慢的物體，如陽光，兩個電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.110hz)，即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄(一般為515um)，因此，傳感器對它們不敏感，因而無輸出。2.1.4菲涅爾透鏡菲涅爾

12、透鏡 (fresnel lens) 多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據(jù)相對靈敏度和接收角度要求來設(shè)計的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在1mm左右，特性為面積較大厚度薄及偵測距離遠。菲涅爾透鏡的在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。多用于對精度要求不是很高的場合，如幻燈機、薄膜放大鏡、紅外探測器等。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在pir上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和

13、暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在pir上產(chǎn)生變化熱釋紅外信。熱釋電紅外傳感器的主要工作參數(shù)有:1 工作電壓:常用的熱釋電紅外傳感器工作電壓范圍為315v;2 工作波長:通常為7.514 m;3 源極電壓:通常為0.41.1v，r=47k;4 輸出信號電壓:通常2.0v3.0v;5 檢測距離:常用熱釋電紅外傳感器檢測距離約為610m；6 水平角度:約為120°；7 工作溫度范圍:1040。綜合價格和性能的考慮，本設(shè)計采用re200b。三、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計3.1 信號檢測放大電路單片機是一種數(shù)字器件，它的輸入就應(yīng)該是數(shù)字信號且電平為ttl電平，使用re200b作為檢測

14、電路的傳感器，必須經(jīng)過信號的放大處理。差分放大電路利用電路參數(shù)的對稱性和負反饋作用，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特征，廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測量電路的輸入級。所以本設(shè)計采用差分放大電路來對采集的信號進行放大處理。其電路圖如圖3-1所示。圖3-1 差分對放大電路采集到的信號由input端輸入，經(jīng)過放大電路后，從output端輸出，輸出的幅值電壓在3.923v4.56v之間。3.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊3.2.1 max197的資料簡介在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，a/d轉(zhuǎn)換的速度和精度又決定了采集系統(tǒng)的速度和精度。max197是maxim公司推出的具有12位測量精度的高速a/d轉(zhuǎn)換芯片

15、，只需單一電源供電，且轉(zhuǎn)換時間很短(6ms)，具有8路輸入通道，還提供了標準的并行接口8位三態(tài)數(shù)據(jù)i/o口，可以和大部分單片機直接接口，使用十分方便。max197是maxim公司的產(chǎn)品,它是可程控多量程8通道12位多路復(fù)用a/ d轉(zhuǎn)換集成電路,具有5mhz的跟蹤/保持帶寬、 100ks/ s 的采樣速率、可編程控制的內(nèi)/外部時鐘與采樣模式、 8 + 4位并行接口、三種電源關(guān)閉模式(包括一種硬觸發(fā)關(guān)閉和兩種可編程式軟關(guān)閉)。max197用標準微處理器接口,通過讀寫三態(tài)數(shù)據(jù) i/ o端口可以控制對數(shù)據(jù)總線的訪問與釋放。表1max197引腳功能引腳名字功能1clk時鐘輸入。在內(nèi)部時鐘模式下,從該引腳

16、接一100pf的電容可獲得1. 56mhz內(nèi)部時鐘2cs片選,低電平有效3wr當cs為低電平時,在內(nèi)部時鐘模式下,wr的上升沿將鎖存設(shè)置并開始一個自動采集和轉(zhuǎn)換周期,在外部時鐘模式下,wr處的第一個上升沿開始采集,第二個上升沿結(jié)束采集并進入轉(zhuǎn)換周期4rd當cs低電平時,rd 上的下降沿使數(shù)據(jù)處于數(shù)據(jù)總線上可被讀取5hben用于12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果的多路復(fù)用。當 hben為低電平時可讀取結(jié)果的高 4 位,當為高電平時,可讀取結(jié)果的低8位6shdn設(shè)置電源關(guān)閉模式7d0三態(tài)數(shù)字 i/ o端口8d1三態(tài)數(shù)字 i/ o端口9d2三態(tài)數(shù)字 i/ o端口10d3三態(tài)數(shù)字 i/ o端口11d4三態(tài)數(shù)字 i/ o

17、端口12d5三態(tài)數(shù)字 i/ o端口13d6三態(tài)數(shù)字 i/ o端口14d7三態(tài)數(shù)字 i/ o端口15agnd模擬信號地16ch0模擬信號輸入通道17ch1模擬信號輸入通道18ch2模擬信號輸入通道19ch3模擬信號輸入通道20ch4模擬信號輸入通道21ch5模擬信號輸入通道22ch6模擬信號輸入通道23ch7模擬信號輸入通道24int當轉(zhuǎn)換結(jié)束且數(shù)據(jù)可被訪問時為低電平25refadj帶寬基準電壓調(diào)整引腳。當 ref 引腳使用外部基準電壓時直接接 vdd , 否則旁路一0. 01 f的電容26ref基準緩存輸出和緩存輸入引腳。在用內(nèi)部基準電壓時,基準緩存輸出一4. 096v的名義電壓,并可通過 r

18、efadj 引腳調(diào)整。在用外部基準電壓時,則通過 refadj 直接接vdd使基準緩存無效27vdd+ 5v電源28dgnd數(shù)字信號地max197無需外接元器件就可獨立完成a/d轉(zhuǎn)換功能。它可分為內(nèi)部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由控制寄存器的d5位決定。在內(nèi)部采樣控制模式(控制位置0)中，由寫脈沖啟動采樣間隔，經(jīng)過瞬間的采樣間隔(芯片時鐘為2mhz時，為3ms)，即開始a/d轉(zhuǎn)換。在外部采樣模式(d5=1)中，由兩個寫脈沖分別控制采樣和a/d轉(zhuǎn)換。在第一個寫脈沖出現(xiàn)時，寫入acqmod為1，開始采樣間隔。在第二個寫脈沖出現(xiàn)時，寫入控制字acqmod為0，max197停止采樣，開始/轉(zhuǎn)換。這

19、兩個寫脈沖之間的時間間隔為一次采樣時間。當一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，max197相應(yīng)的int引腳置低電平，通知處理器可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.2.2 內(nèi)部采樣模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時序?qū)τ谀M到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，時序要求非常嚴格，由于max197的數(shù)字信號輸出引腳是復(fù)用的，要正確讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，時序要求尤其重要。在一次采樣開始前，可以通過單片機的8位數(shù)據(jù)線把這些控制字寫入max197來初始化相應(yīng)的參數(shù)。然后按照一定的時序進行采樣和轉(zhuǎn)換。圖1即為內(nèi)部采樣模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時序圖。圖中hben為12位數(shù)據(jù)高4位或低8位有效控制位，當此位為高時，高4位數(shù)據(jù)有效，為低時低8位數(shù)據(jù)有效?？梢酝ㄟ^控制這個引腳來讀取12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.

20、2.3 max197與單片機硬件接口設(shè)計max197是一種通用a/d芯片，可以和多種微機接口，在此選用at89c52單片機作為主處理器。通過at89c52的p0.0p0.2與max197的d0d2相連，既用于輸入max197的初始化控制字，也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。 用at89c52單片機的p2.7作片選信號，則max197的高位地址為7fh。選擇max197為軟件設(shè)置低功耗工作方式，所以置shdn腳為高電平。本文采用外部基準電壓，所以refdj接高電平，而ref則接外部輸入?yún)⒖茧妷?。at89c52單片機的p1.1腳用做判讀高、低位數(shù)據(jù)的選擇線，直接與hben腳相連。max197的int腳可與a

21、t89c52的int0相連,以便實現(xiàn)中斷，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在電路中，agnd和dgnd應(yīng)相互獨立，各種電源與模擬地之間都用0.1mf電容來消除電源的紋波。max197的硬件電路設(shè)計如圖3-2-3所示。圖3-2-3 max197的硬件電路4、 g18 gsm通訊模塊4.1 g18 的簡介gsm全球移動通信系統(tǒng)是我國覆蓋面最廣、功能最強、用戶最多的數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，隨著gsm移動通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和用戶的是益擴大，短消息業(yè)務(wù)作為gsm網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，已得到十務(wù)，已得到越來越多的系統(tǒng)運營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來，gsm短消息作為通信方式，具有通訊成本低、不受通信

22、線路及地區(qū)限制、保密性高、可靠性高、搞干擾能力強等特點，利用gsm短消息進行遠程無線通信，可以實現(xiàn)對各種物理參數(shù)的遠程紅外線監(jiān)控。本設(shè)計的通訊模塊選用motorola公司推出的無線通信gsm模塊g18。g18模塊的工作電壓為3.56v，可以工作在900mhz、1800mhz、1900mhz三個頻段。模塊有at命令集接口，支持文本和pdu模式的短消息。通過28引腳的zif連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)及控制信號的雙向傳輸，通過zif連接器及50歐天線連接器，可分別連接sim卡支架和天線，g18的封裝及zif連接器的引腳定義如圖4-1所示。圖4-1 g18的封裝及zif連接器的引腳定義g18模塊

23、主要由gsm基帶處理器、gsm射頻模塊、供電模塊（asic）、閃存、zif連接器及天線接口六部分組成。作為g18的核心，基帶處理器主要處理gsm終端內(nèi)的數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。4.2 18與89c82的接口電路g18模塊在單片機的控制下可以收發(fā)短消息。g18共有28個引腳，通過zif連接器與單片機89c52連接，如圖所示。圖 g18與89c52的連接圖g18模塊通過zif連接器可以直接與89c52的串口相連，89c52通過串口控制g18模塊收發(fā)信息，二者采用異步通信，通信波特率可設(shè)置為9600bps。4.3 89c52控制g18收發(fā)短信息的軟件流程g18支持gsm07.05和sm07.07規(guī)定的at指令集，該指令集是etsi（歐洲通信技術(shù)委員會）發(fā)布的，其中包含了對sms的控制。利用單片機向g18發(fā)一系列的at命令，就能達到控制g18收發(fā)sms的目的。單片機從g18接收短信息，實質(zhì)上就是從sim卡中讀出信息，這主要利用at+cmgl=4來完成，其軟件流程見圖4-3。 開始發(fā)送at+csq命令否信號強度夠嗎 是 發(fā)送at+cmgl=4命令 否信號強度夠嗎是 結(jié)束圖4-3 軟件流程圖單片機控制g18收發(fā)sms之前，